大学材料科学基础六单元材料的凝固与气相沉积教程.pptVIP

第六节 用凝固法制备材料的技术 一、区域熔炼 获得高纯度材料的原理 基于合金在不平衡凝固时液体内合金的成分不能均匀化，让合金由左向右顺序凝固，将杂质逐渐排除到右端，而合金棒的左端可得到精炼提纯。 区域熔炼后的溶质分布 设感应圈的长度为l，试棒的总长为L，截面积为A，在感应器内的试棒熔化后，将感应圈自左向右移动一个δx的距离，则左端δx范围的液体凝固，右端δx 范围的棒料又熔化。 图6—30 区域熔炼的溶质分布 在Aδx体积内： 原有的溶质含量为(δx)C0， 凝固后固体的溶质含量为(δx)CS = (δx)k0CL， 引起Al体积液相溶质浓度变化为δCL。 根据溶质量不变的原理， Aδx体积内溶质含量的减少(δx)C0－(δx) k0CL应等于Al体积液相溶质的增加，即 (δx)C0－(δx) k0 CL＝l (δCL) 写成微分形式： (C0－k0 CL) dx＝l dCL 分离变量整理，得： 积分得： 1n(Co一koCL)＝x + 常数 由边界条件，当x＝0，CL＝C0，求出积分常数， 代回上式，得： 改写，得： 将Cs＝k0CL代入，整理得： k0值越小，l越大，去除杂质效果越好。 第一次熔炼时，k0＝0.5，合金的平均成分为 C0，在x＝0位置起始凝固的固相成分为0.5C0，凝固后将末端去除； 第二次重熔时，合金的平均成分约为0.6 C0，第二次重熔时x＝0位置的固相成分即为0.5 × 0.6 C0＝0.3 C0。这样，经过10次重熔 (n＝10) 后，合金的纯度就已经很高了。 图6—3l 多次重熔的溶质分布 (ko＝0.5，l＝l/10试样长) 单晶体就是由一个晶粒组成的晶体。 制取单晶体的基本原理： 保证液体结晶时只形成一个晶核，再由这个晶核长成一整块单晶体。 制备工艺： A）坩埚直拉法； b）悬浮区熔化法 二、制备单晶 1．坩埚直拉法 切克劳斯基 (Czochralski) 法，简称CZ法。 最早用于拉制锗单晶，后来拉制成硅单晶。高纯度多晶硅材料，放入石英坩埚(拉制锗单晶用石墨坩埚)中用高频电流或电阻加热，使材料熔化。用硅单晶作为籽晶，将籽晶夹在籽晶杆上，欲使单晶按某一晶向生长，应使籽晶的晶向与籽晶杆轴向平行。然后将籽晶杆缓慢下降，使籽晶与液面接触，接着缓慢降低温度，并使籽晶杆一边旋转，一边缓慢向上提拉，液体以籽晶为晶核不断长大。在向上提拉的过程中，应注意观察籽晶杆上晶体的表面，当晶体沿111方向生长，可清楚看到三个对称棱边；沿100方向生长，则有明显对称的四条棱边。 图6—32 制备单晶方法 a) 坩埚直拉法 1一热电偶 2一感应线圈 3一石英管 4一籽晶 5一晶体 6一石墨坩埚 2．悬浮区熔化法 更加正规地生产单晶的方法 它避免了普通的区域精炼因使用坩埚或容器带来的污染。 试样的局部在处于丝状线圈中通过电子束加热而被熔化，因为试样是直立放置，熔化时液体的表面张力不致使熔化区液体流出。 加热在真空室中进行，外有屏蔽罩，熔化区液体中的杂质还可得蒸发。 当线圈和熔化区缓慢地向上运动时，可使整个试样长度都形成一个单晶。 三、用快速冷凝法制备金属玻璃 普通金属在冷速要高达1010K/s时才能阻止其结晶 将金属自结晶态改变成非晶态，必须设计成特殊的合金成分，一般的成分规则大致是80％金属-20％半金属 (at %)。 金属：电负性1.8；非金属：电负性 2.2；半金属：电负性1.8～2.2，如B、Si、Ge、As、Sb和Te。 典型的易形成金属玻璃成分：78％Fe-9％Si-l3％B和80％Au-20％Si。 加入半金属的作用： a. 使纯金属的熔点大大降低，在高温范围不需要极快冷却； b. 增加单胞尺寸，使原子扩散距离增大，结晶时间延长； c. 半金属与金属原子尺寸差大，构成晶胞时产生畸变，使晶体结构能量升高。 这种合金一般在冷速为105K/s就可实现非晶态。 玻璃态金属受热转变为结晶态，金属玻璃只能在较低温度下使用。 目前主要用作极好的软磁材料 图6—33 快速冷凝生产金属玻璃装置 四、定向凝固 使铸件得到柱状晶，或者是按设计要求使具有一定体积比的两相成为片状或棒状共晶。 图6—34 定向凝固装置 1一加热体 2一液态金属 3一铸型 4一绝缘盖板 5一均热层 6一绝热层 7一隔热板 8一水冷铜板 感应线圈1 感应线圈2 液体 固体 水冷铜板 液体 固体 感应线圈 拉动方向 生产工艺： 下降功率法 快速逐步凝固法 图6—35 燃气轮机叶片的制造 普通浇注凝固——等轴